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Microbiome | 一文剖析运发动的肠道菌群有什么差别？

宣布时间 2023-08-17

Microbiome | 一文剖析运发动的肠道菌群有什么差别？(图1)

文章问题：The human gut microbiome of athletes:metagenomic and metabolic insights（如需获取原文文献，可联系beat365正版唯一官网）

揭晓期刊：Microbiome

影响因子：15.5

作者单位：意大利帕尔马大学原生生物基因组学实验室

配景先容

人们对肠道菌群的研究展现了它与宿主的关系不但限于肠道情形，而是影响人体从出生到晚年的整个生命阶段。运动也可以通过许多机制调理肠道微生物群，关于运发动的研究批注康健运发动体现出短链脂肪酸(Short-chain fatty acid, SCFAs)的爆发增添，获得更大的能量摄入，从而有助于宿主的整体代谢效率，但同时也更容易患上炎症性肠病。然而关于由运动调理的常驻细菌的心理机制及其在身体体现和全身康健方面临宿主的影响，我们仍然知之甚少。为了剖析肠道微生物群与运发动相关生涯方法之间的重大关系，本研究统计剖析了运发动(n=185)、中度运发动(n=69)和久坐运发动（比照组，n=164）共418例宏基因组数据，证实晰竞技运动和相关的生涯方法与肠道微生物群组成的调理关系：通过增强肠道微生物爆发短链脂肪酸的能力来影响菌群分类特征以及特定细菌种类和生物合成酶(High impact biological synthases, HIBSs)之间的相关性。

效果和讨论

宏基因组数据选择和荟萃剖析

选择185个运发动宏基因组样本（包括具有高无氧和有氧负荷的运动，如马拉松、自行车和橄榄球）；康健运发动的164个宏基因组样本，以及69个被确定为中度运发动的宏基因组样本。这些数据凭证配合的生物信息学管道（即METAnnotatorX2）举行重新剖析。

与竞技运动相关的分类学特征

将运发动、中度运发动和久坐运发动种别（与高、中和低体力运动相关）与微生物分类学概况相关联，旨在追踪与竞技运动相关的潜在要害微生物标记物。使用分层聚类剖析总共确定了八个分类簇，命名为从PCST_1到PCST_8的身体运动水平状态类型群(Community State Type, PCST, FigS1)，每个簇的特征都是奇异且重复泛起的平均细菌组成概况(FigS2)。PCST_3、PCST_7和PCST_8代表了在运发动和中度运发动的肠道微生物组中普遍发明的簇，它们的总和划分占展望样本的 77.8%、100% 和 91.5%。而PCST_1、PCST_4和PCST_5主要保存于久坐运发动样本的肠道微生物组中（166其中的144个）（图1 a，表1）。

随后，作者从Bray-Curtis相异性矩阵中获得特征值，并运行主坐标剖析(PCoA)来剖析样本之间的beta多样性（图2）。发明8个身体运动水平状态类型群(PCST)细分样本在差别的PCSTs的分类组成之间保存显著差别（图2）。这提醒了凭证肠道微生物分类组成，运发动和久坐个体之间保存实质性的区别。

细菌短链脂肪酸生产者与运发动样内情关。运发动代表聚类（PCST_3、PCST_7和PCST_8）具有SCFAs生产菌的高爆发率（图1 a，表1）。包括隐性真杆菌（平均相对品貌为3.5-11.4%）、通俗粪杆菌（平均相对品貌为4.5-8.2%）和其他未分类的粪杆菌种类。其他微生物物种也可能加入脂肪酸的合成，如瘤胃球菌（平均相对品貌0.4-3.4%）、未分类的真细菌属（平均相对品貌1.3-2.4%）和瘤胃球菌（平均相对品貌1.5-3.4%）。上述的细菌类群组成了与运发动相关的短链脂肪酸生产者的“焦点”。值得注重的是，PCST_3除了上述“焦点”外，还保存另一种SCFAs细菌生产者：普氏菌（21.7%）。普雷沃菌属可以作为主要的主要微生物生产者和消耗者，但它也与种种人类炎症状态有关。

有趣的是，在运发动的肠道微生物群都包括最主要的SCFA生产者：粪杆菌、真细菌和瘤胃球菌属，这可以推测运发动的爆发的SCFA可能会高于其他个体（图1 g）。

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图S1. 基于分类学数据的轮廓剖析和 HCL聚类树

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图S 2. PCST细菌物种组成

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图1. PCST和EFC集群之间的样本细分

表1. PCSTs详细的分类

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酶谱的功效剖析

继续对418个肠道微生物群举行了功效剖析，基于MetaCyc数据库检索微生物类的酶谱，凭证每个样本的酶功效天生Bray-Curtis距离矩阵。总共获得了4个酶功效簇(Enzymatic functional clusters, EFC)，划分为EFC_1、EFC_2、EFC_3和EFC_4（图1）。EFC_1和EFC_4代表了人数最多的集群，划分占总样本的38.8%和42.1%。EFC_2和EFC_3包括较少的酶谱，划分只包括14.6和4.5%。

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图2. 基于样本组成和宏基因组数据的Beta多样性疏散

值得注重的是，EFC_4由72%的运发动和18%的中度运发动组成，而EFC_1包括有久坐不动的运发动63%和的中度运发动23.7%（图1，表2）。相关于EFC_4是运发动肠道微生物群中最常见的酶谱，EFC_1在久坐个体中泛起最多。这些数据支持了之前形貌的肠道微生物群组成之间的强关联（图1 a），并强调了运发动基于微生物的酶谱之间的另一种关联（图1 c，表2）。

表2. EFCs的详细分类

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别的，作者还未来自微生物酶簇(EFCs)的分类数据与分类学数据(PCSTs)举行了关联，以获得分类学-酶学关系的完整概述。这些剖析强调了EFC_4与PCST_3、PCST_7以及PCST_8相关（图1 g），即包括产短酸细菌“焦点”的簇。EFC_4显示了725个ECs正相关（占其总统计意义相关的80%），与EFC_1相比差别较大，平均总共只有79个ECs正相关（占其总统计意义相关的25%）（图1 f）。

与运动相关的微生物生物合成代谢的特征

EFC_1和EFC_4两个主要的酶簇，也被用来研究最近的科学文献中已知的影响宿主康健的要害代谢物加入所成代谢的酶。在这种情形下，作者基于MetaCycS数据库研究了EC编号的可能相关性，并被命名为HBIS。对两组HBIS的酶谱举行较量，发明66个HBIS与EFC_4（代表运发动最常见的酶谱）呈正相关，只有10个与EFC_1（代表久坐个体最常见的功效谱）呈正相关。因此，EFC_1酶簇比EFC_4显示出更低的HBIS生产潜力，这突出了运发动的微生物群怎样可能编码更普遍的微生物代谢物，并对康健和身体体现爆发主要影响（表3）。相比之下，在EFC_4和HBIS之间的73种正相关关系中，有八种通过镌汰心血管疾病和肿瘤的发病来提高运动体现和延伸寿命的酶，有一种酶加入了血红素基团的生产，从而加入了新血细胞的再生和生产（表4）。

表3. HBIS与EFC_1呈正相关

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表4. HBIS与EFC_4呈正相关

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别的，与硫氨基酸、谷胱甘肽(GSH)和�；撬嶂蟹肿拥谋⑾喙氐腅C数目与EFC_4呈正相关，可能增强了氧化细胞损伤的镌汰，提高了肌肉性能（表4）。总之，这些效果证实晰属于运发动类别的样本的微生物组具有更富厚的生物合成酶加入种种化合物的生产（图3）。

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图3. 运动对肠道微生物群的调理作用，以及肠道微生物群对人类康健和行为体现的调理作用。

HBIS与焦点微生物类群之间的关系

回溯剖析进一步研究认真上述与物理活性相关的酶反应的主要细菌分类群。该要领的目的是识别可能爆发与上述EFC_4正相关的9个HBIS的细菌种类。其中6个EC类（EC 6.3.5.9、6.3.5.7、4.2.1.24、2.5.1.1.16、6.3.5.4和2.3.1.189）主要是由SCFAs生产者的“焦点”生产的。这些数据展现了运发动特定功效特征与运发动肠道情形所包括的微生物类群之间的明确联系。

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